JP2019003871A - Active material liquid and method of manufacturing active material liquid - Google Patents

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貴之 中井
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宏昭 松浦
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浩 浜名
和子 高橋
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和子 高橋
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Abstract

To provide an active material liquid which, in a vanadium high concentration system, avoids reduction in charge and discharge efficiency caused in the high concentration system by capable of preventing precipitation of vanadium even during temperature drop and stably maintaining cell output with respect to temperature change and also to provide a method of manufacturing the active material liquid.SOLUTION: An active material liquid of the present invention has sulfuric acid acidity and is a negative active material liquid or a positive active material liquid of a vanadium redox secondary battery whose all vanadium concentration is equal to or more than 2.5 M. By addition of chloride, a chemical shift value of proton peak in the proton nuclear magnetic resonance spectrum is 1.2 to 5 times of the chemical shift value in a sulfuric acid aqueous solution of 0.1 M to 10 M.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、活物質液及び活物質液の製造方法に関し、より詳しくは、従来の2〜4M硫酸酸性のバナジウム硫酸塩の電池活物質水溶液の溶解度上限とされる2M程度よりも高い濃度のバナジウム高濃度系において、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止でき、温度変化に対して安定に電池出力を維持できると共に、高濃度系によって生じる充放電効率の低下を回避する活物質液及び活物質液の製造方法に関する。   The present invention relates to an active material liquid and a method for producing the active material liquid. More specifically, the present invention relates to a vanadium having a concentration higher than about 2M, which is the upper limit of solubility of an aqueous battery active material solution of conventional 2-4M sulfuric acid vanadium sulfate. In high-concentration systems, active material liquids and active materials that can prevent the precipitation of vanadium even when the temperature drops, maintain stable battery output against temperature changes, and avoid the decrease in charge / discharge efficiency caused by the high-concentration system The present invention relates to a method for producing a liquid.

電気を繰り返し放充電することができる環境負荷の小さいエネルギー貯蔵源として二次電池が注目されている。産業用の二次電池としては、鉛蓄電池、ナトリウム硫黄蓄電池、レドックスフロー電池等が知られている。   Secondary batteries are attracting attention as an energy storage source with a low environmental load that can repeatedly discharge and charge electricity. As secondary batteries for industrial use, lead storage batteries, sodium sulfur storage batteries, redox flow batteries and the like are known.

特にバナジウム電解液を用いたバナジウムレドックスフロー電池は、室温で作動し、活物質が液体であるため外部タンクに貯蔵できる。そのため、活物質液のみを貯蔵するだけで容量(時間率)を大きくすることが容易であり、更に他の二次電池、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などと異なり、活物質が液体であり、再生が容易で長寿命である等の利点がある。   In particular, a vanadium redox flow battery using a vanadium electrolyte operates at room temperature and can be stored in an external tank because the active material is liquid. Therefore, it is easy to increase the capacity (time ratio) by storing only the active material liquid, and unlike other secondary batteries, lithium ion batteries, nickel metal hydride batteries, etc., the active material is liquid, There are advantages such as easy reproduction and long life.

バナジウムレドックスフロー電池の正極活物質液にはバナジウム5価、4価系のレドックス対が用いられ、負極活物質液にはバナジウム2価、3価系のレドックス対が用いられている(特許文献1、2)。このような系では、充電時及び放電時の電極反応はそれぞれ下記のように表される。   Vanadium pentavalent and tetravalent redox pairs are used for the positive electrode active material liquid of the vanadium redox flow battery, and vanadium divalent and trivalent redox pairs are used for the negative electrode active material liquid (Patent Document 1). 2). In such a system, electrode reactions during charging and discharging are expressed as follows.

(充電時の電極反応)
正極反応:VO2+(4価)+HO → VO (5価)+2H+e
負極反応:V3+(3価)+e → V2+(2価)
(Electrode reaction during charging)
Positive reaction: VO 2+ (4-valent) + H 2 O → VO 2 + (5 valence) + 2H + + e -
Negative electrode reaction: V 3+ (trivalent) + e → V 2+ (bivalent)

(放電時の電極反応)
正極反応:VO (5価)+2H+e → VO2+(4価)+H
負極反応:V2+(2価) → V3+(3価)+e
(Electrode reaction during discharge)
Positive reaction: VO 2 + (5 valence) + 2H + + e - → VO 2+ (4 -valent) + H 2 O
Negative electrode reaction: V 2+ (divalent) → V 3+ (trivalent) + e

このようなレドックスフロー電池において、入出力密度(あるいは単に出力密度)や貯蔵可能な電力量(あるいは単にエネルギー密度)は、液中のバナジウム濃度が高いほど大きくなる。   In such a redox flow battery, the input / output density (or simply output density) and the storable power (or simply energy density) increase as the vanadium concentration in the liquid increases.

出力密度(W/kg)の向上やエネルギー密度(Wh/kg)の増大を実現するために、正極活物質、負極活物質共に、バナジウム濃度を高濃度化すると共に、液の比抵抗や粘度を増大させないことが重要であり、そのような試みがなされている(非特許文献1〜3)。   In order to improve the power density (W / kg) and increase the energy density (Wh / kg), both the positive electrode active material and the negative electrode active material are increased in vanadium concentration, and the specific resistance and viscosity of the liquid are increased. It is important not to increase it, and such attempts have been made (Non-Patent Documents 1 to 3).

特開昭62−186473号公報JP 62-186473 A 特開平4−286871号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-28671

L. D. Kurbatova, D. I. Kurbatov, "Vanadium(V) extraction from sulfuric acid solutions", Russian Journal of Inorganic Chemistry, July 2008, 53(7), 1154-1157L. D. Kurbatova, D. I. Kurbatov, "Vanadium (V) extraction from sulfuric acid solutions", Russian Journal of Inorganic Chemistry, July 2008, 53 (7), 1154-1157 Faizur Rahman, Maria Skyllas-Kazacos, "Vanadium redox battery: Positive half-cell electrolyte studies", Journal of Power Sources, April 2009, 189(2), 1212-1219Faizur Rahman, Maria Skyllas-Kazacos, "Vanadium redox battery: Positive half-cell electrolyte studies", Journal of Power Sources, April 2009, 189 (2), 1212-1219 織地学他, "バナジウムレドックスフロー電池負極におけるV(II)/V(III)反応", 電池討論会講演要旨集, 2003年11月04日, 44巻, 630-631Ogaku et al., "V (II) / V (III) reaction in the negative electrode of vanadium redox flow battery", Proceedings of Battery Conference, November 04, 2003, 44, 630-631 M. Vijayakumar, Wei Wang, Zimin Nie, Vincent Sprenkle, JianZhi Hu, "Elucidating the higher stability of vanadium(V) cations in mixed acid based redox flow battery electrolytes", Journal of Power Sources, November 2013, 241(1), 173-177M. Vijayakumar, Wei Wang, Zimin Nie, Vincent Sprenkle, JianZhi Hu, "Elucidating the higher stability of vanadium (V) cations in mixed acid based redox flow battery electrolytes", Journal of Power Sources, November 2013, 241 (1), 173-177

非特許文献1、2は、電池正極活物質液として用いられ得る硫酸酸性の5価のバナジウム含有液について報告している。   Non-Patent Documents 1 and 2 report a sulfuric acid pentavalent vanadium-containing liquid that can be used as a battery positive electrode active material liquid.

非特許文献1は、硫酸酸性の5価のバナジウム含有液について、バナジウム濃度が2.0Mを超えるとバナジウム塩の結晶成長による析出(晶析)が生じやすくなることを明らかにしている。   Non-Patent Document 1 clarifies that precipitation (crystallization) due to crystal growth of a vanadium salt is likely to occur when the vanadium concentration exceeds 2.0 M in a sulfuric acid pentavalent vanadium-containing liquid.

また、このような析出を生じた5価のバナジウム含有液に更に硫酸を添加し、加熱することによって一時的に溶解できるとしている。しかし、このようにして得られた活物質液は、冷時に再び析出が生じる。特に正極側の活物質液における5価バナジウムはVとして平衡論的にも析出し易く、加熱によって、析出が生じる平衡系に速やかに移行するため、いわゆる熱沈殿の問題がある。そのため、HSOのみの系ではバナジウム濃度の上限は1.7〜1.8M、HSOとHCl共存の混酸系ではバナジウム濃度の上限は2M程度とされていた。従って、現行技術の延長上では、析出物を微粒子のままに維持して高濃度活物質として使用する手法が重要であった。このような液の電流電位曲線(サイクリックボルタングラム)におけるVII/III、VIV/V酸化波と還元波のピーク位置のずれは、一般的に、著しく大きくなっていることから、可逆性の乏しい反応であることがわかる。この結果は、電荷移動抵抗の大きい電池活物質液としては使用しにくいことを示している。非特許文献1は、このような活物質液では、電極応答性が悪いため、実用性がないと結論付けている。 Moreover, it is said that it can be dissolved temporarily by adding sulfuric acid to the pentavalent vanadium-containing liquid in which such precipitation has occurred and heating it. However, the active material liquid obtained in this way is precipitated again when it is cold. In particular, pentavalent vanadium in the active material solution on the positive electrode side is easily precipitated as V 2 O 5 in terms of equilibrium, and is quickly transferred to an equilibrium system in which precipitation occurs by heating, so that there is a problem of so-called thermal precipitation. Therefore, the upper limit of the vanadium concentration in the system of only H 2 SO 4 is 1.7~1.8M, the upper limit of the vanadium concentration in H 2 SO 4 and HCl coexistence of mixed acid systems were set to about 2M. Therefore, in the extension of the current technology, it is important to maintain the precipitates as fine particles and use them as a high concentration active material. Since the deviation of the peak positions of the V II / III , V IV / V oxidation wave and reduction wave in the current-potential curve (cyclic voltamgram) of such a liquid is generally remarkably large, it is reversible. It can be seen that the reaction is poor. This result shows that it is difficult to use as a battery active material liquid having a large charge transfer resistance. Non-Patent Document 1 concludes that such an active material liquid has no practicality because of poor electrode response.

非特許文献2も、サイクリックボルタングラムに基づいて非特許文献1と同様の知見を報告している。   Non-Patent Document 2 also reports the same knowledge as Non-Patent Document 1 based on the cyclic voltammogram.

このように、硫酸酸性バナジウム化合物液からなる従来の正極活物質液では、特にバナジウムを高濃度とする場合において、自由な充放電操作下において十分な溶解性及び流動性を維持することが困難であり、安定かつエネルギー効率のよい充放電を行なうことが困難であった。   As described above, in the conventional positive electrode active material liquid composed of the sulfuric acid vanadium compound liquid, it is difficult to maintain sufficient solubility and fluidity under a free charge / discharge operation, particularly when vanadium is at a high concentration. In addition, it was difficult to perform stable and energy efficient charging / discharging.

一方、非特許文献3は、電池負極活物質液として用いられ得る2価、3価のバナジウム含有液について報告している。   On the other hand, Non-Patent Document 3 reports a divalent and trivalent vanadium-containing liquid that can be used as a battery negative electrode active material liquid.

非特許文献3は、電池負極活物質液中においてバナジウムが如何なる化学種として存在するかを特定するために、クロノポテンシオメトリーを行っている。これにより、液中の2価、3価のバナジウムのそれぞれについて拡散係数を求め、実測した粘度から化学種のストークス半径を算出している。そして、算出されたストークス半径が、従来から2価、3価のバナジウムの化学種と考えられてきたアコ錯体、具体的にはV2+(HO)あるいはV3+(HO)のストークス半径と同程度であることを確認している。 Non-Patent Document 3 performs chronopotentiometry in order to specify what kind of chemical species vanadium is present in the battery negative electrode active material solution. Thereby, the diffusion coefficient is obtained for each of divalent and trivalent vanadium in the liquid, and the Stokes radius of the chemical species is calculated from the actually measured viscosity. The calculated Stokes radius is an ako complex, specifically V 2+ (H 2 O) 6 or V 3+ (H 2 O) 6 , which has been conventionally considered as a chemical species of divalent and trivalent vanadium. It is confirmed that it is almost the same as the Stokes radius.

また、非特許文献3は、「実用的なバナジウム濃度」として1.6Mの溶液を調製している。本発明者による試験結果においても、従来の電池負極活物質液において、バナジウムの析出を防止して、安定に充放電を継続できる濃度は1.5M〜1.7M程度までであることが確かめられており、非特許文献3が記載する上記濃度は、従来の観点では妥当な値といえる。   Non-Patent Document 3 prepares a 1.6 M solution as a “practical vanadium concentration”. Also in the test results by the present inventor, it has been confirmed that in the conventional battery negative electrode active material liquid, the concentration capable of preventing the deposition of vanadium and continuing the charge / discharge stably is about 1.5M to 1.7M. Therefore, the concentration described in Non-Patent Document 3 can be said to be a reasonable value from the conventional viewpoint.

このように、硫酸酸性バナジウム化合物液からなる従来の負極活物質液もまた、特にバナジウムを高濃度とする場合において、自由な充放電操作下において十分な溶解性及び流動性を維持することが困難であり、安定かつエネルギー効率のよい充放電を行なうことが困難であった。   As described above, the conventional negative electrode active material liquid composed of a sulfuric acid vanadium compound liquid is also difficult to maintain sufficient solubility and fluidity under free charge / discharge operation, particularly when vanadium is at a high concentration. Therefore, it was difficult to perform stable and energy efficient charge / discharge.

以上、非特許文献1〜3を参照して従来のバナジウム濃度の高濃度化の試みについて説明した。なお、特許文献として、2Mを超えるバナジウム濃度を記載するものも多く見受けられるが、非特許文献を参照して上述したように、このような高濃度系ではバナジウムの析出を防止することが困難であり、溶解性及び流動性に劣る。この点については、実際に試験を行うことにより確認することができる。   The conventional attempts to increase the vanadium concentration have been described above with reference to Non-Patent Documents 1 to 3. Many patent documents describe vanadium concentrations exceeding 2M, but as described above with reference to non-patent documents, it is difficult to prevent the precipitation of vanadium in such a high concentration system. Yes, poor solubility and fluidity. This can be confirmed by actually conducting a test.

このように、従来の技術では、活物質液におけるバナジウム塩の析出を防止するために、実際には全バナジウム濃度を1.5M〜1.7M程度といった低濃度に設定する必要があった。そのため、電流密度の向上や貯蔵可能電気量の増大を実現する上で限界があった。   Thus, in the prior art, in order to prevent the precipitation of vanadium salt in the active material solution, it was actually necessary to set the total vanadium concentration to a low concentration of about 1.5M to 1.7M. Therefore, there is a limit in realizing improvement in current density and increase in the amount of electricity that can be stored.

全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウム高濃度系では、バナジウムの析出が生じやすく、特に温度低下時において析出が顕著になることが見出された。このような高濃度系において、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止できれば、温度変化に対して安定に電池出力を維持できるようになる。   It has been found that in the vanadium high concentration system in which the total vanadium concentration is 2.5 M or more, vanadium is likely to precipitate, and the precipitation becomes remarkable particularly when the temperature is lowered. In such a high concentration system, if the precipitation of vanadium can be prevented even when the temperature is lowered, the battery output can be stably maintained against the temperature change.

なお、非特許文献4は、混酸系における5価バナジウムの安定性に関して、51V及び35Clに基づく核磁気共鳴スペクトル測定による解析を行っている。しかし、現在は、Vに部分的に配位している可能性がある35Clの共鳴吸収ピークが観測される程度であり、共存する効果が充放電効率(例えば電圧効率や面積抵抗率)に顕著に現れる濃度1Mの塩化物イオンをVへの錯形成のみで説明するのは困難であった。 Note that Non-Patent Document 4 analyzes the stability of pentavalent vanadium in a mixed acid system by nuclear magnetic resonance spectrum measurement based on 51 V and 35 Cl. However, now, 35 Cl that may have partially coordinated to V - is the degree to which resonance absorption peaks of the observed effect of coexisting charge and discharge efficiency (for example, a voltage efficiency and the area resistivity) It was difficult to explain the chloride ion having a concentration of 1M that appears remarkably in the complex by only complexing to V.

そこで本発明の課題は、バナジウム高濃度系において、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止でき、温度変化に対して安定に電池出力を維持できると共に、高濃度系によって生じる充放電効率の低下を回避する活物質液及び活物質液の製造方法を提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to prevent the precipitation of vanadium even when the temperature is lowered in a high concentration system of vanadium, maintain the battery output stably against a temperature change, and reduce the charge / discharge efficiency caused by the high concentration system. An object is to provide an active material liquid to be avoided and a method for producing the active material liquid.

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。   Other problems of the present invention will become apparent from the following description.

上記課題は、以下の各発明によって解決される。   The above problems are solved by the following inventions.

(請求項1)
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液又は正極活物質液であって、
塩化物が添加されていることによって、プロトン核磁気共鳴スペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍であることを特徴とする活物質液。
(請求項2)
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の正極活物質液であって、
プロトン核磁気共鳴スペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍であり、
0.2M以上の塩化物イオンがバナジウムと共存していることを特徴とする活物質液。
(請求項3)
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液であって、
塩化物が添加されていることによって、電位掃引法によって観察される電流電位曲線における2価のバナジウムの酸化波の反応電気量として、0℃において測定される反応電気量Qと、25℃において測定される反応電気量Q25の比(Q/Q25)が、0.3〜1.0であることを特徴とする活物質液。
(請求項4)
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の正極活物質液であって、
塩化物が添加されていることによって、電位掃引法によって観察される電流電位曲線における5価のバナジウムの還元波の反応電気量として、0℃において測定される反応電気量Qと、25℃において測定される反応電気量Q25の比(Q/Q25)が、0.3〜1.0であることを特徴とする活物質液。
(請求項5)
粘度が6cp以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の活物質液。
(請求項6)
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液又は正極活物質液を製造する際に、
硫酸バナジル溶液を電解還元して3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とした後に、
少なくとも下記(I)〜(III)の何れかの状態における液について測定されるプロトン核磁気共鳴スペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍になるように硫酸濃度と塩化物濃度とを調整することを特徴とする活物質液の製造方法。
(I) 前記3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とした液
(II) 前記(I)記載の液を電解還元して得られる2価バナジウム及び3価バナジウムを含む液
(III) 前記(I)記載の液を電解酸化して得られる4価バナジウム及び5価バナジウムを含む液
(Claim 1)
A negative electrode active material liquid or a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
By adding chloride, the chemical shift value of the proton peak in the proton nuclear magnetic resonance spectrum is 1.2 to 5 times the chemical shift value in a 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution. Active material liquid.
(Claim 2)
A positive electrode active material solution for a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
The chemical shift value of the proton peak in the proton nuclear magnetic resonance spectrum is 1.2 to 5 times the chemical shift value in a 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution,
An active material liquid, wherein 0.2 M or more of chloride ions coexist with vanadium.
(Claim 3)
A negative electrode active material solution for a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
By adding chloride, the reaction electricity quantity of the oxidation wave of divalent vanadium in the current-potential curve observed by the potential sweep method is the reaction quantity Q 0 measured at 0 ° C., and at 25 ° C. An active material liquid, wherein a ratio (Q 0 / Q 25 ) of measured reaction electricity Q 25 is 0.3 to 1.0.
(Claim 4)
A positive electrode active material solution for a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
By adding chloride, the reaction electric quantity Q 0 measured at 0 ° C. as the reaction electric quantity of the pentavalent vanadium reduction wave in the current-potential curve observed by the potential sweep method, and at 25 ° C. An active material liquid, wherein a ratio (Q 0 / Q 25 ) of measured reaction electricity Q 25 is 0.3 to 1.0.
(Claim 5)
Viscosity is 6 cp or less, The active material liquid in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
(Claim 6)
When manufacturing a negative electrode active material liquid or a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
After electrolytic reduction of the vanadyl sulfate solution to make the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium 1: 1,
The chemical shift value of the proton peak in the proton nuclear magnetic resonance spectrum measured for the liquid in at least one of the following states (I) to (III) is 1.2, which is the chemical shift value in a 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution. A method for producing an active material solution, wherein the sulfuric acid concentration and the chloride concentration are adjusted so as to be 5 times.
(I) Liquid in which the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium is 1: 1 (II) Liquid containing divalent vanadium and trivalent vanadium obtained by electrolytic reduction of the liquid described in (I) A liquid containing tetravalent vanadium and pentavalent vanadium obtained by electrolytic oxidation of the liquid described in (I).

本発明によれば、バナジウム高濃度系において、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止でき、温度変化に対して安定に電池出力を維持できると共に、高濃度系によって生じる充放電効率の低下を回避する活物質液及び活物質液の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, in a vanadium high-concentration system, it is possible to prevent the deposition of vanadium even when the temperature is lowered, to stably maintain battery output against temperature changes, and to avoid a decrease in charge / discharge efficiency caused by the high-concentration system. An active material liquid to be produced and a method for producing the active material liquid can be provided.

H−NMRスペクトルの一例を示す図 The figure which shows an example of < 1 > H-NMR spectrum 実施例1及び比較例1に係る負極活物質液のサイクリックボルタングラムCyclic voltammograms of negative electrode active material liquids according to Example 1 and Comparative Example 1 実施例2及び比較例2に係る正極活物質液のサイクリックボルタングラムCyclic voltammograms of positive electrode active material liquids according to Example 2 and Comparative Example 2 実施例に係る活物質液のサイクリックボルタングラムの温度依存性(低温特性)Temperature dependence of cyclic voltammogram of active material liquid according to Example (low temperature characteristics) 比較例に係る活物質液のサイクリックボルタングラムの温度依存性(低温特性)Temperature dependence of cyclic voltammogram of active material liquid according to comparative example (low temperature characteristics)

以下に、本発明を実施するための形態について説明する。   Below, the form for implementing this invention is demonstrated.

(活物質液の第1態様)
本発明の第1態様に係る活物質液は、硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液又は正極活物質液である。
(First aspect of active material liquid)
The active material liquid according to the first aspect of the present invention is a negative electrode active material liquid or a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is sulfuric acid acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more.

硫酸酸性というのは、硫酸(HSO)の添加によって酸性であることを意味する。酸性の度合いは格別限定されず、pH6以下であることが好ましい。 The acidity of sulfuric acid means that it is acidic by adding sulfuric acid (H 2 SO 4 ). The degree of acidity is not particularly limited and is preferably pH 6 or less.

負極活物質液というのは、2価バナジウム及び3価バナジウムを含む活物質液であり、正極活物質液というのは、4価バナジウム及び5価バナジウムを含む活物質液である。本明細書では、負極活物質液及び正極活物質液について、電池負極活物質液及び電池正極活物質液という場合がある。あるいは、両極の活物質液を含めて、単に活物質液という場合がある。   The negative electrode active material liquid is an active material liquid containing divalent vanadium and trivalent vanadium, and the positive electrode active material liquid is an active material liquid containing tetravalent vanadium and pentavalent vanadium. In this specification, the negative electrode active material liquid and the positive electrode active material liquid may be referred to as a battery negative electrode active material liquid and a battery positive electrode active material liquid. Alternatively, the active material liquid may be simply referred to as the active material liquid including the bipolar active material liquid.

かかる活物質液は、塩化物が添加されていることによって、プロトン核磁気共鳴スペクトル(以下、H−NMRスペクトルともいう)におけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍であることを一つの特徴とする。 Such an active material liquid has a chemical shift value of a proton peak in a proton nuclear magnetic resonance spectrum (hereinafter also referred to as 1 H-NMR spectrum) in a sulfuric acid aqueous solution of 0.1M to 10M by adding chloride. One characteristic is that it is 1.2 to 5 times the chemical shift value.

本発明の第1態様に係る活物質液によれば、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止することができ、温度変化に対して安定に電池出力を維持できる効果が得られる。   According to the active material liquid according to the first aspect of the present invention, it is possible to prevent the deposition of vanadium even when the temperature is lowered, and the effect of stably maintaining the battery output against the temperature change is obtained.

H−NMRスペクトル測定では、基準物質としてテトラメチルシラン(TMS)を用い、所定の共鳴周波数で、電池負極活物質液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δを測定する。一方で、同じく基準物質としてテトラメチルシラン(TMS)を用い、所定の共鳴周波数で、硫酸水溶液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δを測定する。このとき、これら化学シフト値が、δ≧1.5×δを満たすことである。これら化学シフト値の比は共鳴周波数に依存するものではないため、H−NMRスペクトル測定に用いる上述した所定の共鳴周波数は適宜設定できるが、例えば200kHzであることが好ましい。 In 1 H-NMR spectrum measurement, the chemical shift value δ a of the resonance absorption peak of the battery negative electrode active material solution is measured at a predetermined resonance frequency using tetramethylsilane (TMS) as a reference material. On the other hand, similarly, tetramethylsilane (TMS) is used as the reference substance, and the chemical shift value δ b of the resonance absorption peak of the sulfuric acid aqueous solution is measured at a predetermined resonance frequency. At this time, these chemical shift values satisfy δ a ≧ 1.5 × δ b . Since the ratio of these chemical shift values does not depend on the resonance frequency, the above-described predetermined resonance frequency used for the 1 H-NMR spectrum measurement can be set as appropriate, but is preferably 200 kHz, for example.

H−NMRスペクトルの一例について、図1を参照して説明する。 An example of 1 H-NMR spectrum will be described with reference to FIG.

図1中、(a)は硫酸水溶液(濃度6M)のスペクトルであり、(b)は電池負極活物質液のスペクトルであり、(c)は電池正極活物質液のスペクトルである。   In FIG. 1, (a) is a spectrum of an aqueous sulfuric acid solution (concentration 6M), (b) is a spectrum of a battery negative electrode active material liquid, and (c) is a spectrum of a battery positive electrode active material liquid.

図示の例において、(b)に示す電池負極活物質液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(18ppm)は、硫酸水溶液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(12ppm)の1.5倍に相当するので、上述した化学シフト値の条件(1.2倍以上)を満たしている。 In the illustrated example, the chemical shift value δ a (18 ppm) of the resonance absorption peak of the battery negative electrode active material liquid shown in (b) is 1.5 times the chemical shift value δ b (12 ppm) of the resonance absorption peak of the sulfuric acid aqueous solution. Therefore, the above-described chemical shift value condition (1.2 times or more) is satisfied.

また、(c)に示す電池正極活物質液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(21ppm)も、硫酸水溶液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(12ppm)の1.75倍に相当するので、上述した化学シフト値の条件(1.2倍以上)を満たしている。 In addition, the chemical shift value δ a (21 ppm) of the resonance absorption peak of the battery positive electrode active material liquid shown in (c) also corresponds to 1.75 times the chemical shift value δ b (12 ppm) of the resonance absorption peak of the sulfuric acid aqueous solution. Therefore, the above-described chemical shift value condition (1.2 times or more) is satisfied.

上述したH−NMRスペクトルにおける化学シフト値の条件を満たす場合は、Clの有無にかかわりなく、好ましい性状の活物質液となる。Clは主にHSO と相互作用して、溶媒としての硫酸−塩酸混合水液の性状を大きく変えることができる。 When the condition of the chemical shift value in the 1 H-NMR spectrum described above is satisfied, an active material liquid having preferable properties is obtained regardless of the presence or absence of Cl . Cl mainly interacts with HSO 4 and can greatly change the properties of the sulfuric acid-hydrochloric acid mixed water as a solvent.

(活物質液の第2態様)
本発明の第2態様に係る活物質液は、硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の正極活物質液であって、プロトン核磁気共鳴スペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍であり、0.2M以上の塩化物イオンがバナジウムと共存しているバナジウムレドックス二次電池の正極活物質液である。塩化物イオンは、例えば0.2〜4Mとすることができ、1M以上であることが好ましい。
(Second aspect of active material liquid)
The active material liquid according to the second aspect of the present invention is a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is sulfuric acid acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more, and has a proton peak in a proton nuclear magnetic resonance spectrum. Positive electrode activity of a vanadium redox secondary battery having a chemical shift value of 1.2 to 5 times the chemical shift value in a 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution and a chloride ion of 0.2 M or more coexisting with vanadium. It is a substance liquid. A chloride ion can be 0.2-4M, for example, and it is preferable that it is 1M or more.

本発明の第2態様に係る活物質液によれば、第1態様に係る活物質液と同様に、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止することができ、温度変化に対して安定に電池出力を維持できる効果が得られる。   According to the active material liquid according to the second aspect of the present invention, like the active material liquid according to the first aspect, it is possible to prevent the deposition of vanadium even when the temperature is lowered, and the battery is stable against temperature changes. The effect that the output can be maintained is obtained.

通常、全バナジウム濃度が2.5M以上の高濃度系の活物質液においては、51Vの核磁気共鳴信号が観察されない。この理由については以下のように考えられる。 Normally, a 51 V nuclear magnetic resonance signal is not observed in a high concentration active material solution having a total vanadium concentration of 2.5 M or more. The reason for this is considered as follows.

即ち、通常のバナジウム高濃度系の活物質液では、Vに配位しているのはHOであり、硫酸水素イオン(HSO )は外圏に存在している可能性が大きい。HOはd軌道(内部軌道型、VIIIの配位子交換反応速度は一般に大きい)に弱く配位しており、高スピンであるため、常磁性の作用と四極子相互作用を弱めることができない。そのため、51Vの核磁気共鳴信号は、極端にブロードするか、あるいはバックグラウンドに埋もれてしまう。特に51Vは核スピンが7/2なので核四極子相互作用によって、粒子で分散している状態では核磁気共鳴信号が出にくい。 That is, in a normal vanadium high-concentration active material solution, it is H 2 O that is coordinated to V, and hydrogen sulfate ions (HSO 4 ) are likely to be present in the outer sphere. H 2 O is d 2 orbitals (internal orbital, the ligand exchange reaction rate of V III is generally greater) is weakly coordinated to, for the high spin, weaken the action and quadrupolar interactions paramagnetic I can't. Therefore, the 51 V nuclear magnetic resonance signal is extremely broad or buried in the background. In particular, since 51 V has a nuclear spin of 7/2, it is difficult to produce a nuclear magnetic resonance signal when it is dispersed by particles due to nuclear quadrupole interaction.

これに対して、本発明の第2態様に係る活物質液では、正極活物質液に含まれるVの内圏に配位する配位子として塩化物イオンの共存などによって懸濁性が弱められたようなときは、35Clの信号が部分的に観察されるようになる。しかし、この錯体の安定化の効果は限定的であるため、更なる効果を発揮する観点で、0.2M以上のClの共存による溶媒の性状変化の効果が重要である。これにより、第1態様に係る活物質液と同様に、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止することができ、温度変化に対して安定に電池出力を維持できる効果が得られる。 In contrast, in the active material solution according to the second aspect of the present invention, the suspendability is weakened by the coexistence of chloride ions as a ligand coordinated to the inner sphere of V contained in the positive electrode active material solution. In such a case, the 35 Cl signal is partially observed. However, since the effect of stabilizing this complex is limited, the effect of changing the properties of the solvent due to the coexistence of 0.2 M or more of Cl is important from the viewpoint of exerting further effects. Thereby, like the active material liquid which concerns on a 1st aspect, precipitation of vanadium can be prevented also at the time of temperature fall, and the effect which can maintain a battery output stably with respect to a temperature change is acquired.

(活物質液の第3態様)
本発明の第3態様に係る活物質液は、硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液である。
(Third embodiment of active material liquid)
The active material liquid according to the third aspect of the present invention is a negative electrode active material liquid for a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more.

かかる活物質液は、塩化物が添加されていることによって、電位掃引法によって観察される電流電位曲線における2価のバナジウムの酸化波の反応電気量として、0℃において測定される反応電気量Qと、25℃において測定される反応電気量Q25の比(Q/Q25)が、0.3〜1.0であることを一つの特徴とする。 Such an active material solution has a reaction electricity quantity Q measured at 0 ° C. as the reaction electricity quantity of the oxidation wave of divalent vanadium in the current-potential curve observed by the potential sweep method due to the addition of chloride. 0, the ratio of the reaction the quantity of electricity Q 25 measured at 25 ℃ (Q 0 / Q 25 ), and one of the features that it is 0.3 to 1.0.

この溶媒(水溶液)の改質により、温度低下時においてもバナジウムの析出を防止することができ、温度変化に対して安定に電池出力を維持できる効果が得られる。上記の条件を満たす場合は、液中におけるバナジウムの拡散速度や、電極表面における電子移動速度が、温度低下の影響を受けにくいことを意味している。更に、特に温度低下時においてバナジウムの酸化架橋による重合化も防止されていることを示唆している。バナジウムの析出は、液の流動性の向上によって大きく抑制できる。塩化物の添加にかかわらず、プロトンの化学シフトの条件を満たす場合は、上述した各態様と同様に、溶媒の性質を改善することによって、活物質液としての安定化に寄与しているものと推定される。   By reforming the solvent (aqueous solution), it is possible to prevent the deposition of vanadium even when the temperature is lowered, and the effect of stably maintaining the battery output against the temperature change can be obtained. When the above conditions are satisfied, it means that the diffusion rate of vanadium in the liquid and the electron transfer rate on the electrode surface are not easily affected by the temperature drop. Furthermore, it is suggested that polymerization by vanadium oxidative crosslinking is also prevented, particularly when the temperature is lowered. Precipitation of vanadium can be largely suppressed by improving the fluidity of the liquid. Regardless of the addition of chloride, if the conditions of the chemical shift of the proton are satisfied, as in the above embodiments, by improving the properties of the solvent, it contributes to stabilization as an active material liquid Presumed.

(活物質液の第4態様)
本発明の第4態様に係る活物質液は、硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の正極活物質液である。
(4th aspect of an active material liquid)
The active material liquid according to the fourth aspect of the present invention is a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is sulfuric acid acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more.

かかる活物質液は、塩化物が添加されていることによって、電位掃引法によって観察される電流電位曲線における5価のバナジウムの還元波の反応電気量として、0℃において測定される反応電気量Qと、25℃において測定される反応電気量Q25の比(Q/Q25)が、0.3〜1.0であることを一つの特徴とする。 Such an active material solution has a reaction electricity quantity Q measured at 0 ° C. as a reaction electricity quantity of a pentavalent vanadium reduction wave in a current-potential curve observed by a potential sweep method due to the addition of chloride. 0, the ratio of the reaction the quantity of electricity Q 25 measured at 25 ℃ (Q 0 / Q 25 ), and one of the features that it is 0.3 to 1.0.

これにより、第3態様と同様の効果が得られる。   Thereby, the same effect as the 3rd mode is acquired.

上述した活物質液の第3及び4態様において、電位掃引法としては、サイクリックボルタンメトリー(以下、CV測定ともいう)を好ましく用いることができる。0℃及び25℃における反応電気量を測定する際には、温度以外は同じ条件に設定する。反応電気量は、酸化波又は還元波の面積(ピーク面積)として求めることができる。   In the third and fourth embodiments of the active material liquid described above, cyclic voltammetry (hereinafter also referred to as CV measurement) can be preferably used as the potential sweep method. When measuring the amount of reaction electricity at 0 ° C. and 25 ° C., the same conditions except for the temperature are set. The amount of reaction electricity can be obtained as the area (peak area) of an oxidation wave or a reduction wave.

以上に説明した第1〜4態様にかかる活物質液は、粘度が6cp以下であることが好ましい。これにより、該活物質液中における活物質であるバナジウム化合物あるいはイオンの拘束性が大きく緩和され、拡散速度も向上し、電池充放電時の電流密度を向上するなどの効果も得られる。特に、活物質液を、導電性炭素繊維や導電性炭素微粒子等のような繊維状あるいは粒子状の電極等に流通させる場合において、繊維径や粒径が小さいと(例えば数μmφ以下であると)拡散が多次元的となり、電流密度を向上する効果が顕著になる。また、該活物質を電池セルに流通させる際の圧力損失を低減する効果も得られる。ここで、6cp以下とする粘度は、管内を液が降下するタイプの粘度計を用いた、室温(20℃)での値である。粘度の下限は格別限定されないが、例えば1cp以上とすることができる。   The active material liquid according to the first to fourth aspects described above preferably has a viscosity of 6 cp or less. Thereby, the restraint property of the vanadium compound or ion which is an active material in the active material liquid is greatly relaxed, the diffusion rate is improved, and the current density at the time of battery charge / discharge is improved. In particular, when the active material liquid is circulated through a fibrous or particulate electrode such as conductive carbon fiber or conductive carbon fine particle or the like, if the fiber diameter or particle size is small (for example, several μmφ or less) ) The diffusion becomes multidimensional, and the effect of improving the current density becomes remarkable. Moreover, the effect of reducing the pressure loss at the time of distribute | circulating this active material to a battery cell is also acquired. Here, the viscosity of 6 cp or less is a value at room temperature (20 ° C.) using a viscometer of a type in which the liquid descends in the tube. Although the minimum of a viscosity is not specifically limited, For example, it can be 1 cp or more.

(活物質液の製造方法)
本発明の活物質液の製造方法は、硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液又は正極活物質液を製造する際に好適に用いられる。
(Method for producing active material liquid)
The method for producing an active material liquid of the present invention is preferably used when producing a negative electrode active material liquid or a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more.

かかる活物質液の製造方法では、まず、硫酸バナジル溶液を電解還元して3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とする。   In such a method for producing an active material solution, first, a vanadyl sulfate solution is electrolytically reduced so that the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium is 1: 1.

その後、少なくとも下記(I)〜(III)の何れかの状態における液について測定されるH−NMRスペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍になるように硫酸濃度と塩化物濃度とを調整することを一つの特徴とする。
(I) 前記3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とした液
(II) 前記(I)記載の液を電解還元して得られる2価バナジウム及び3価バナジウムを含む液
(III) 前記(I)記載の液を電解酸化して得られる4価バナジウム及び5価バナジウムを含む液
Then, the chemical shift value of the proton peak in the 1 H-NMR spectrum measured for at least the liquid in any of the following states (I) to (III) is 1 of the chemical shift value in the 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution. One characteristic is that the sulfuric acid concentration and the chloride concentration are adjusted so as to be 2 to 5 times.
(I) Liquid in which the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium is 1: 1 (II) Liquid containing divalent vanadium and trivalent vanadium obtained by electrolytic reduction of the liquid described in (I) A liquid containing tetravalent vanadium and pentavalent vanadium obtained by electrolytic oxidation of the liquid described in (I).

塩化物としては、塩化水素の水溶液である濃塩酸などが好ましい。塩酸を添加した液中の遊離硫酸濃度が小さければ、塩化水素自身の蒸気圧は小さく、実際にプロトンNMRにおける化学シフト値が上述した領域にあれば、HClの濃度は問題にならない。HClの濃度は例えば0.2〜4M、好ましくは1〜4Mとすることができる。   As the chloride, concentrated hydrochloric acid which is an aqueous solution of hydrogen chloride is preferable. If the concentration of free sulfuric acid in the solution to which hydrochloric acid is added is small, the vapor pressure of hydrogen chloride itself is small, and if the chemical shift value in proton NMR is actually in the above-mentioned region, the concentration of HCl does not matter. The concentration of HCl can be, for example, 0.2-4M, preferably 1-4M.

本発明の活物質液の製造方法によれば、長期にわたる放置においてもバナジウムの析出を防止することができる活物質液が得られ、該活物質液を用いることによって、2.5M以上の高濃度でも安定に電池を運転できる効果が得られる。   According to the method for producing an active material liquid of the present invention, an active material liquid capable of preventing the deposition of vanadium even when left for a long period of time is obtained. By using the active material liquid, a high concentration of 2.5 M or more is obtained. However, the effect that the battery can be stably operated can be obtained.

(I)の液は、実際に電池に充填されて充放電を行う際の液(即ち、(II)の液、又は、(III)の液)になる前の前駆体として好適に用いることができる。即ち、予め用意された(I)の液を、電池の負極室及び正極室のそれぞれに充填した後、これらを電解することによって、電解還元の結果として負極室に(II)の液を、電解酸化の結果として正極室に(III)の液を生成することができる。   The liquid (I) is preferably used as a precursor before it becomes a liquid (ie, liquid (II) or liquid (III)) when the battery is actually charged and charged / discharged. it can. That is, after the liquid (I) prepared in advance is filled in each of the negative electrode chamber and the positive electrode chamber of the battery, the liquid (II) is electrolyzed in the negative electrode chamber as a result of electrolytic reduction by electrolyzing them. As a result of the oxidation, the liquid (III) can be generated in the positive electrode chamber.

従って、(I)の液におけるH−NMRスペクトルが、上記の条件を満たすことにより、該液が前駆体として市場に流通する際などにおいて、バナジウムの析出を好適に防止でき、保存性を好適に改善できる効果が得られる。 Therefore, when the 1 H-NMR spectrum in the liquid (I) satisfies the above conditions, the vanadium can be suitably prevented from precipitating when the liquid is distributed as a precursor on the market. The effect that can be improved is obtained.

また、(II)の液、又は、(III)の液におけるH−NMRスペクトルが、上記の条件を満たすことにより、実際に電池に充填されて充放電を行う際におけるバナジウムの析出をより確実に防止でき、温度変化に対してより安定に電池出力を維持できる効果が得られる。 Further, when the 1 H-NMR spectrum in the liquid (II) or the liquid (III) satisfies the above conditions, vanadium is more reliably deposited when the battery is actually charged and charged / discharged. The effect that the battery output can be maintained more stably with respect to the temperature change is obtained.

更に、本発明の活物質液の製造方法では、上述したように3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とした後に塩化物を添加することによって、電解時における塩素系ガスの発生を好適に防止できる効果が得られる。本発明において、塩素系ガスの発生を好適に防止できる効果は、活物質液の製造過程あるいは保存過程だけでなく、実際に電池に充填されて充放電を行う際においても発揮される。   Further, in the method for producing an active material liquid of the present invention, as described above, the chloride ratio is added after the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium is 1: 1, thereby generating chlorine gas during electrolysis. The effect which can prevent suitably is acquired. In the present invention, the effect of suitably preventing the generation of chlorine-based gas is exhibited not only in the production process or storage process of the active material liquid, but also when the battery is actually charged and charged / discharged.

本発明において、活物質液に添加される塩化物としては、例えばHClが挙げられ、活物質液中での塩化物イオン濃度が0.2〜4Mとなるように添加することができる。活物質液は、みかけの硫酸根、塩化物イオンのモル比として、SO 2−:Cl=1:1〜3:1程度であることが好ましい。 In the present invention, the chloride added to the active material liquid includes, for example, HCl, and can be added so that the chloride ion concentration in the active material liquid is 0.2 to 4M. The active material solution preferably has an apparent sulfate radical / chloride ion molar ratio of about SO 4 2− : Cl = 1: 1 to 3: 1.

塩化物は、例えばフッ化物、臭化物、ヨウ化物等の他のハロゲン化物等と組み合わせて添加されていてもよいが、他のハロゲン化物と組み合わせず、単独で添加されていることが好ましい。塩化物は、他のハロゲン化物と比較して、硫酸との相互作用性が強いという利点がある。   The chloride may be added in combination with other halides such as fluoride, bromide, iodide, etc., but is preferably added alone without being combined with other halides. Chloride has the advantage of strong interaction with sulfuric acid compared to other halides.

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

以下の実施例では、「1.電池負極活物質液」、「2.電池正極活物質液」についてそれぞれ検証し、次いで、「3.活物質液の低温特性」について検証する。   In the following examples, “1. Battery negative electrode active material liquid” and “2. Battery positive electrode active material liquid” are verified, respectively, and then “3. Low temperature characteristics of active material liquid” are verified.

1.電池負極活物質液
(実施例1)
水中に2.5MのVOSO及び2.0MのHSOを含む液を電解還元することによって、3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1(3.5価)とした。更に、この液を電解還元して、2価及び3価のバナジウムを含む液を得た。この液の粘度は、6cpであった。
1. Battery negative electrode active material liquid (Example 1)
By electroreducing a solution containing 2.5 M VOSO 4 and 2.0 M H 2 SO 4 in water, the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium was 1: 1 (3.5 valence). Furthermore, this solution was electrolytically reduced to obtain a solution containing divalent and trivalent vanadium. The viscosity of this liquid was 6 cp.

次いで、得られた液に、上述したH−NMRスペクトルの化学シフト値の条件を満たすように塩酸を添加したところ、結果として液中の塩酸濃度は0.4Mになった。これを、電池負極活物質液として用いた。塩酸添加後の液の粘度は、4cpであった。 Next, when hydrochloric acid was added to the obtained liquid so as to satisfy the condition of the chemical shift value of the 1 H-NMR spectrum described above, the hydrochloric acid concentration in the liquid became 0.4 M as a result. This was used as a battery negative electrode active material liquid. The viscosity of the solution after addition of hydrochloric acid was 4 cp.

H−NMRスペクトル測定>
得られた電池負極活物質液について共鳴周波数200kHzでH−NMRスペクトル測定を行ったところ、図1(b)に示したH−NMRスペクトルが得られた。電池負極活物質液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(18ppm)は、硫酸水溶液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(12ppm)の1.5倍に相当するので、上述した化学シフト値の条件(1.2倍以上)を満たしている。
<1 H-NMR spectrum measurement>
The obtained battery negative electrode active material solution was subjected to 1 H-NMR spectrum measured at a resonance frequency 200kHz, 1 H-NMR spectrum shown in was obtained FIG 1 (b). The chemical shift value δ a (18 ppm) of the resonance absorption peak of the battery negative electrode active material liquid corresponds to 1.5 times the chemical shift value δ b (12 ppm) of the resonance absorption peak of the sulfuric acid aqueous solution. The condition (1.2 times or more) is satisfied.

<CV測定>
得られた電池負極活物質液について下記条件でCV測定を行ったところ、図2に示したCV図(図中、塩酸添加と示した)が得られた。得られたCV図において、2価のバナジウムの酸化波が大きく検出された。
<CV measurement>
When the obtained battery negative electrode active material liquid was subjected to CV measurement under the following conditions, the CV diagram shown in FIG. 2 (shown as addition of hydrochloric acid in the figure) was obtained. In the obtained CV diagram, a large oxidation wave of divalent vanadium was detected.

CV測定の条件
・作用極:グラファイト電極(0.5mmφ×10mm(液深)、X線002回折ピークの半値幅2.6°)
・参照極:Ag/AgCl
・電位掃引速度:50秒/V
・温度:22℃
・状態:静止電極、静止活物質液
Conditions and working electrode for CV measurement: Graphite electrode (0.5 mmφ × 10 mm h (liquid depth), X-ray 002 diffraction peak half-value width 2.6 °)
・ Reference electrode: Ag / AgCl
-Potential sweep speed: 50 seconds / V
・ Temperature: 22 ℃
・ State: Stationary electrode, Stationary active material liquid

(比較例1)
実施例1において、塩酸の添加を省略したこと以外は実施例1と同様にして、電池負極活物質液を得た。この液の粘度は、6cpであった。
(Comparative Example 1)
A battery negative electrode active material solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the addition of hydrochloric acid in Example 1 was omitted. The viscosity of this liquid was 6 cp.

<CV測定>
得られた電池負極活物質液について実施例1と同様の条件でCV測定を行ったところ、図2に示したCV図(図中、塩酸無添加と示した)が得られた。得られたCV図において、2価のバナジウムの酸化波が僅かに検出された。この酸化波の酸化電流は、実施例1のCV図と比較して、著しく小さいことがわかる。
<CV measurement>
When the obtained battery negative electrode active material solution was subjected to CV measurement under the same conditions as in Example 1, the CV diagram shown in FIG. 2 (shown as no addition of hydrochloric acid in the figure) was obtained. In the obtained CV diagram, a slight oxidation wave of divalent vanadium was detected. It can be seen that the oxidation current of this oxidation wave is significantly smaller than the CV diagram of Example 1.

2.電池正極活物質液
(実施例2)
水中に3.5MのVOSO及び2.0MのHSOを含む液を電解還元することによって、3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1(3.5価)とした。更に、この液を電解酸化して、4価及び5価のバナジウムを含む液を得た。この液の粘度は、11cpであった。
2. Battery positive electrode active material liquid (Example 2)
By electrolytic reduction of a solution containing 3.5 M VOSO 4 and 2.0 M H 2 SO 4 in water, the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium was 1: 1 (3.5 valence). Furthermore, this solution was electrolytically oxidized to obtain a solution containing tetravalent and pentavalent vanadium. The viscosity of this liquid was 11 cp.

次いで、得られた液に、上述したH−NMRスペクトルの化学シフト値の条件を満たすように塩酸を添加したところ、結果として液中の塩酸濃度は約1Mになった。これを、電池正極活物質液として用いた。塩酸添加後の液の粘度は、6cpであった。 Subsequently, hydrochloric acid was added to the obtained liquid so as to satisfy the above-described condition of the chemical shift value of the 1 H-NMR spectrum. As a result, the hydrochloric acid concentration in the liquid became about 1M. This was used as a battery positive electrode active material liquid. The viscosity of the solution after addition of hydrochloric acid was 6 cp.

H−NMRスペクトル測定>
得られた電池正極活物質液について共鳴周波数200kHzでH−NMRスペクトル測定を行ったところ、図1(c)に示したH−NMRスペクトルが得られた。電池正極活物質液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(21ppm)は、硫酸水溶液の共鳴吸収ピークの化学シフト値δ(12ppm)の1.75倍に相当するので、上述した化学シフト値の条件(1.2倍以上)を満たしている。
<1 H-NMR spectrum measurement>
The obtained battery positive electrode active material solution was subjected to 1 H-NMR spectrum measured at a resonance frequency 200kHz, 1 H-NMR spectrum shown in was obtained Fig 1 (c). The chemical shift value δ a (21 ppm) of the resonance absorption peak of the battery positive electrode active material liquid corresponds to 1.75 times the chemical shift value δ b (12 ppm) of the resonance absorption peak of the sulfuric acid aqueous solution. The condition (1.2 times or more) is satisfied.

<CV測定>
得られた電池正極活物質液について下記条件でCV測定を行ったところ、図3に示したCV図(図中、塩酸添加と示した)が得られた。得られたCV図において、5価のバナジウムの還元波が大きく検出された。
<CV measurement>
When the obtained battery positive electrode active material liquid was subjected to CV measurement under the following conditions, the CV diagram shown in FIG. 3 (shown as addition of hydrochloric acid in the figure) was obtained. In the obtained CV diagram, a large reduction wave of pentavalent vanadium was detected.

CV測定の条件
・作用極:グラファイト電極(0.5mmφ×10mm(液深)、X線002回折ピークの半値幅2.6°)
・参照極:Ag/AgCl
・電位掃引速度:50秒/V
・温度:22℃
・状態:静止電極、静止活物質液
Conditions and working electrode for CV measurement: Graphite electrode (0.5 mmφ × 10 mm h (liquid depth), X-ray 002 diffraction peak half-value width 2.6 °)
・ Reference electrode: Ag / AgCl
-Potential sweep speed: 50 seconds / V
・ Temperature: 22 ℃
・ State: Stationary electrode, Stationary active material liquid

(比較例2)
実施例2において、塩酸の添加を省略したこと以外は実施例2と同様にして、電池正極活物質液を得た。この液の粘度は、11cpであった。
(Comparative Example 2)
A battery positive electrode active material solution was obtained in the same manner as in Example 2 except that the addition of hydrochloric acid in Example 2 was omitted. The viscosity of this liquid was 11 cp.

<CV測定>
得られた電池正極活物質液について実施例2と同様の条件でCV測定を行ったところ、図3に示したCV図(図中、塩酸無添加と示した)が得られた。得られたCV図において、5価のバナジウムの還元波が僅かに検出された。この還元波の還元電流は、実施例2のCV図と比較して、著しく小さいことがわかる。
<CV measurement>
When the obtained battery positive electrode active material solution was subjected to CV measurement under the same conditions as in Example 2, the CV diagram shown in FIG. 3 (shown as no addition of hydrochloric acid in the figure) was obtained. In the obtained CV diagram, a slight reduction wave of pentavalent vanadium was detected. It can be seen that the reduction current of this reduction wave is significantly smaller than the CV diagram of Example 2.

3.活物質液の低温特性
(実施例3)
水中に2.6MのVOSO及び5.0MのHSOを含む液を電解還元することによって、3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とした。この液の粘度は、10cpであった。
更に、この液を電解還元して、2価及び3価のバナジウムを含む液(負極活物質液)を得た。この負極活物質液の粘度は、10cpのままであった。
3. Low temperature characteristics of active material liquid (Example 3)
The molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium was set to 1: 1 by electrolytic reduction of a solution containing 2.6 M VOSO 4 and 5.0 M H 2 SO 4 in water. The viscosity of this liquid was 10 cp.
Furthermore, this liquid was subjected to electrolytic reduction to obtain a liquid (negative electrode active material liquid) containing divalent and trivalent vanadium. The viscosity of this negative electrode active material liquid remained at 10 cp.

次いで、得られた液に、上述したH−NMRスペクトルの化学シフト値の条件を満たすように塩酸を添加したところ、粘度は6cpまで低下した。この結果、液中の塩酸濃度は1Mになった。 Next, when hydrochloric acid was added to the obtained liquid so as to satisfy the chemical shift value of the 1 H-NMR spectrum described above, the viscosity decreased to 6 cp. As a result, the hydrochloric acid concentration in the liquid became 1M.

<CV測定>
得られた電池負極活物質液について、25℃と0℃の各温度において下記条件でCV測定を行ったところ、図4に示したCV図が得られた。得られたCV図より、25℃における2価バナジウムの酸化電流は550μA、0℃における2価バナジウムの酸化電流は320μAであった。
また、CV図上で0℃、25℃におけるそれぞれのピーク面積比の大きさは反応性(電極反応速度)を示していると考えられ、0℃、25℃におけるピークの大きさの比からも、本発明の活物質液の反旺盛が良好であることが分かる。
<CV measurement>
About the obtained battery negative electrode active material liquid, when CV measurement was performed on the following conditions in each temperature of 25 degreeC and 0 degreeC, the CV figure shown in FIG. 4 was obtained. From the obtained CV diagram, the oxidation current of divalent vanadium at 25 ° C. was 550 μA, and the oxidation current of divalent vanadium at 0 ° C. was 320 μA.
Moreover, the magnitude of the peak area ratio at 0 ° C. and 25 ° C. on the CV diagram is considered to indicate the reactivity (electrode reaction rate), and also from the ratio of the peak sizes at 0 ° C. and 25 ° C. It can be seen that the active material liquid of the present invention has a good anti-reflection.

CV測定の条件
・作用極:グラファイト電極(0.5mmφ×10mm(液深)、X線002回折ピークの半値幅2.6°)
・参照極:Ag/AgCl
・電位掃引速度:50秒/V
・温度:25℃と0℃
・状態:静止電極、静止活物質液
Conditions and working electrode for CV measurement: Graphite electrode (0.5 mmφ × 10 mm h (liquid depth), X-ray 002 diffraction peak half-value width 2.6 °)
・ Reference electrode: Ag / AgCl
-Potential sweep speed: 50 seconds / V
・ Temperature: 25 ℃ and 0 ℃
・ State: Stationary electrode, Stationary active material liquid

(比較例3)
水中に3.0MのVOSO及び5.0MのHSOを含む液を、塩酸を加えずに電解還元することによって、2価及び3価のバナジウムを含む電池負極活物質液を得ようとしたが、2価バナジウム塩と考えられる結晶が析出した。
(Comparative Example 3)
Let's obtain a battery negative electrode active material liquid containing divalent and trivalent vanadium by electrolytic reduction of a liquid containing 3.0 M VOSO 4 and 5.0 M H 2 SO 4 in water without adding hydrochloric acid. However, crystals considered to be divalent vanadium salts were precipitated.

<CV測定>
得られた電池負極活物質液について、25℃と0℃の各温度において下記条件でCV測定を行ったところ、図5に示したCV図が得られた。得られたCV図より、25℃における2価バナジウムの酸化電流は380μA、0℃における2価バナジウムの酸化電流は115μAであった。
また、CV図上で0℃、25℃におけるそれぞれのピーク面積比の大きさは、塩酸を加えていない系では大きく拡大した。
<CV measurement>
About the obtained battery negative electrode active material liquid, when CV measurement was performed on the following conditions in each temperature of 25 degreeC and 0 degreeC, the CV figure shown in FIG. 5 was obtained. From the obtained CV diagram, the oxidation current of divalent vanadium at 25 ° C. was 380 μA, and the oxidation current of divalent vanadium at 0 ° C. was 115 μA.
Moreover, the magnitude | size of each peak area ratio in 0 degreeC and 25 degreeC on a CV figure expanded greatly in the system which has not added hydrochloric acid.

CV測定の条件
・作用極:グラファイト電極(0.5mmφ×10mm(液深)、X線002回折ピークの半値幅2.6°)
・参照極:Ag/AgCl
・電位掃引速度:50秒/V
・温度:25℃と0℃
・状態:静止電極、静止活物質液
Conditions and working electrode for CV measurement: Graphite electrode (0.5 mmφ × 10 mm h (liquid depth), X-ray 002 diffraction peak half-value width 2.6 °)
・ Reference electrode: Ag / AgCl
-Potential sweep speed: 50 seconds / V
・ Temperature: 25 ℃ and 0 ℃
・ State: Stationary electrode, Stationary active material liquid

<活物質液の低温特性の評価>
上述したように、塩酸を添加した電池負極活物質液を用いた実施例3では、25℃における2価バナジウムの酸化電流は550μA、0℃における2価バナジウムの酸化電流は320μAであった。このとき、25℃の電池負極活物質液の酸化電流に対する0℃の電池負極活物質液の酸化電流の割合(即ち、0℃電解液の25℃電解液に対する出力推測値)は58%になる(表1)。
<Evaluation of low-temperature characteristics of active material liquid>
As described above, in Example 3 using the battery negative electrode active material solution to which hydrochloric acid was added, the oxidation current of divalent vanadium at 25 ° C. was 550 μA, and the oxidation current of divalent vanadium at 0 ° C. was 320 μA. At this time, the ratio of the oxidation current of the battery negative electrode active material liquid at 0 ° C. to the oxidation current of the battery negative electrode active material liquid at 25 ° C. (that is, the estimated output value of the 0 ° C. electrolyte to the 25 ° C. electrolyte) is 58%. (Table 1).

一方、塩酸を添加していない電池負極活物質液を用いた比較例3では、25℃における2価バナジウムの酸化電流は380μA、0℃における2価バナジウムの酸化電流は115μAであった。このとき、25℃の電池負極活物質液の酸化電流に対する0℃の電池負極活物質液の酸化電流の割合(即ち、0℃電解液の25℃電解液に対する出力推測値)は30%になる(表1)。   On the other hand, in Comparative Example 3 using the battery negative electrode active material liquid to which hydrochloric acid was not added, the oxidation current of divalent vanadium at 25 ° C. was 380 μA, and the oxidation current of divalent vanadium at 0 ° C. was 115 μA. At this time, the ratio of the oxidation current of the battery negative electrode active material liquid at 0 ° C. to the oxidation current of the battery negative electrode active material liquid at 25 ° C. (that is, the estimated output value of the 0 ° C. electrolyte to the 25 ° C. electrolyte) is 30%. (Table 1).

Figure 2019003871
Figure 2019003871

また、0℃、25℃におけるそれぞれのピーク面積も、ピーク高さと同様に、塩酸添加の効果を示している。このことから、実施例3は、比較例3と比較して、特に温度低下時においても、バナジウムの析出が防止され、電池出力を維持できることがわかる。   Further, the respective peak areas at 0 ° C. and 25 ° C. show the effect of addition of hydrochloric acid similarly to the peak height. From this, it can be seen that, compared with Comparative Example 3, Example 3 can prevent the deposition of vanadium and maintain the battery output even when the temperature is lowered.

以上の結果より、塩酸を添加した電池負極活物質液が、低温特性に優れることがわかる。これにより、温度変化に対して安定に電池出力を維持できる効果が奏される。なお、ここでは電池負極活物質液の例を挙げたが、電池正極活物質液の場合にも同様の結果が得られた。   From the above results, it can be seen that the battery negative electrode active material liquid added with hydrochloric acid is excellent in low temperature characteristics. Thereby, the effect which can maintain a battery output stably with respect to a temperature change is show | played. In addition, although the example of the battery negative electrode active material liquid was given here, the same result was obtained also in the case of the battery positive electrode active material liquid.

Claims (6)

硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液又は正極活物質液であって、
塩化物が添加されていることによって、プロトン核磁気共鳴スペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍であることを特徴とする活物質液。
A negative electrode active material liquid or a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
By adding chloride, the chemical shift value of the proton peak in the proton nuclear magnetic resonance spectrum is 1.2 to 5 times the chemical shift value in a 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution. Active material liquid.
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の正極活物質液であって、
プロトン核磁気共鳴スペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍であり、
0.2M以上の塩化物イオンがバナジウムと共存していることを特徴とする活物質液。
A positive electrode active material solution for a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
The chemical shift value of the proton peak in the proton nuclear magnetic resonance spectrum is 1.2 to 5 times the chemical shift value in a 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution,
An active material liquid, wherein 0.2 M or more of chloride ions coexist with vanadium.
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液であって、
塩化物が添加されていることによって、電位掃引法によって観察される電流電位曲線における2価のバナジウムの酸化波の反応電気量として、0℃において測定される反応電気量Qと、25℃において測定される反応電気量Q25の比(Q/Q25)が、0.3〜1.0であることを特徴とする活物質液。
A negative electrode active material solution for a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
By adding chloride, the reaction electricity quantity of the oxidation wave of divalent vanadium in the current-potential curve observed by the potential sweep method is the reaction quantity Q 0 measured at 0 ° C., and at 25 ° C. An active material liquid, wherein a ratio (Q 0 / Q 25 ) of measured reaction electricity Q 25 is 0.3 to 1.0.
硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の正極活物質液であって、
塩化物が添加されていることによって、電位掃引法によって観察される電流電位曲線における5価のバナジウムの還元波の反応電気量として、0℃において測定される反応電気量Qと、25℃において測定される反応電気量Q25の比(Q/Q25)が、0.3〜1.0であることを特徴とする活物質液。
A positive electrode active material solution for a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
By adding chloride, the reaction electric quantity Q 0 measured at 0 ° C. as the reaction electric quantity of the pentavalent vanadium reduction wave in the current-potential curve observed by the potential sweep method, and at 25 ° C. An active material liquid, wherein a ratio (Q 0 / Q 25 ) of measured reaction electricity Q 25 is 0.3 to 1.0.
粘度が6cp以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の活物質液。   Viscosity is 6 cp or less, The active material liquid in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 硫酸酸性であり全バナジウム濃度が2.5M以上であるバナジウムレドックス二次電池の負極活物質液又は正極活物質液を製造する際に、
硫酸バナジル溶液を電解還元して3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とした後に、
少なくとも下記(I)〜(III)の何れかの状態における液について測定されるプロトン核磁気共鳴スペクトルにおけるプロトンピークの化学シフト値が、0.1M〜10Mの硫酸水溶液における化学シフト値の1.2〜5倍になるように、硫酸濃度と塩化物濃度とを調整することを特徴とする活物質液の製造方法。
(I) 前記3価バナジウム及び4価バナジウムのモル比を1:1とした液
(II) 前記(I)記載の液を電解還元して得られる2価バナジウム及び3価バナジウムを含む液
(III) 前記(I)記載の液を電解酸化して得られる4価バナジウム及び5価バナジウムを含む液

When manufacturing a negative electrode active material liquid or a positive electrode active material liquid of a vanadium redox secondary battery that is acidic with sulfuric acid and has a total vanadium concentration of 2.5 M or more,
After electrolytic reduction of the vanadyl sulfate solution to make the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium 1: 1,
The chemical shift value of the proton peak in the proton nuclear magnetic resonance spectrum measured for the liquid in at least one of the following states (I) to (III) is 1.2, which is the chemical shift value in a 0.1 M to 10 M sulfuric acid aqueous solution. A method for producing an active material solution, wherein the sulfuric acid concentration and the chloride concentration are adjusted so as to be ˜5 times.
(I) Liquid in which the molar ratio of trivalent vanadium and tetravalent vanadium is 1: 1 (II) Liquid containing divalent vanadium and trivalent vanadium obtained by electrolytic reduction of the liquid described in (I) A liquid containing tetravalent vanadium and pentavalent vanadium obtained by electrolytic oxidation of the liquid described in (I).

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024038726A1 (en) * 2022-08-16 2024-02-22 住友電気工業株式会社 Redox flow battery system

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